Разработка методики измерения содержания альфа-фазы в нержавеющей стали магнитным методом
Состав, структура и назначение сталей
К наиболее распространенным сталям аустенитно ферритного класса относятся стали типа 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 03Х23Н6, 08Х18Г8Н2Т, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2. Микроструктура хромоникелевой стали 08Х22Н6Т и хромо-никель-молибденовой 08Х21Н6М2Т представлена на рис 18.1. Количество аустеннтной и ферритной фаз в сталях этого класса колеблется обычно в пределах 40—60 % Химический состав аустеннтно ферритных сталей приведен в табл 18.1, механические свойства — в табл. 18.2.
Аустенитно-ферритные стали имеют относительно высокие пределы те кучести и прочности прн удовлетворительных пластичности и ударной вяз кости, а также высокую коррозионную стойкость и хорошую свариваемость Это позволяет сократить удельный расход металла при изготовлении химической аппаратуры, рассчитываемой на прочность, благодаря уменьшению толщины листа Согласно диаграмме состояний сплавы Fe—Cr—Ni обладают некоторыми характерными особенностями область существования двухфазной аустенитно ферритной структуры в них находится в интервале температур 20—1350 °С, при нагреве стали выше температуры 1100°С аустенит превращается в феррит и тем интенсивнее, чем выше температура и длительность нагрева, при температуре выше 1200 °С происходит полное γ→α превращение, при последующем охлаждении происходит обратное превращение феррита в аустенит. Конечное соотношение количества структурных составляющих зависит от скорости охлаждения стали При изотермической выдержке в области температур 700—800 °С в стали возможно образование хрупкой составляющей σ фазы. Аустенитно-ферритиые стали поставляются в закаленном состоянии с температур 950— 1050 °С. Разница по содержанию Сг и Ni между аустенитной и ферритной фазами составляет 2—5%. Аустенитно-ферритные стали теряют вязкость при нагреве их в интервале температур 450—650 °С Это связано с тем, что хрупкость, обусловленная выделением карбидов, усиливается действием так называемой 475° хрупкости.
Примерное назначение и температура эксплуатации аустенитно-ферритных сталей указаны в таблице 18.3.
Строение
Количество – ферритная фаза
На рис. 166 показано влияние температуры деформации на изменение твердости и количества ферритной фазы трех сталей с различным содержанием никеля.
Электроды, дающие наплавленный металл аустенит-ного типа, должны проходить проверку на количество ферритной фазы в наплавке. Наплавку производят при режимах, рекомендованных для электродов данного типа и диаметра, на пластину или трубу из соответствующей аустенитной нержавеющей стали.
Электроды, дающие наплавленный металл аустенит-ного типа, должны проходить проверку на количество ферритной фазы в наплавке. Наплавку производят при режимах, рекомендованных для электродов данного типа и диаметра, на пластину или трубу из соответствующей аустенитной нержавеющей стали.
Однако при сварке под флюсом некоторых марок жаропрочных сталей требование обеспечения в металле шва регламентированного количества ферритной фазы не всегда может быть достигнуто.
Нержавеющие хромоникелевые стали в пределах химического состава наряду с основной структурой аустенита практически содержат некоторое количество ферритной фазы ( а-фазы) обычно оцениваемое баллами.
Для устранения склонности к горячим трещинам и повышения стойкости против межкрлсталлитной коррозии необходимо содержание в наплавленном металле некоторого количества ферритной фазы.
Для устранения склонности к горячим трещинам и повышения стойкости про-тин межкристаллитпой коррозии необходимо содержании в наплавленном металле некоторого количества ферритной фазы.
Образцы на основе разработанного цементно-известково-зольного вяжущего после десяти дней воздействия агрессивной среды слегка потемнели, что объясняется присутствием некоторого количества ферритных фаз из портландцемента. Химическим анализом было зафиксировано наличие сероводорода по всему цементному камню, следы свободной и сульфатной серы.
У нержавеющих сталей аустенитного класса типа Х18Н9Т при обычных методах разливки в изложницы, особенно в случае крупных слитков, наблюдается значительное увеличение количества ферритной фазы по мере приближения от периферии к центру слитка в связи с большей дендритной ликвацией при уменьшении скорости кристаллизации. Частицы ферритной фазы в осевой части слитка более крупные.
Влияние концентрации азотной кислоты при 80 С на скорость коррозии сталей ( продолжительность испытания 100 ч. 1 – Х18Н9Т. 2 – ОХ22Н5Т. 3 – 1Х21Н5Т.| Зависимость механических свойств стали на основе Х21Т после оптимальной термической обработки от содержания никеля.
Для сталей ОХ22Н5Т, ОХ18Г8Н2Т или других подобного типа характерным является прямая зависимость между повышением температуры нагрева металла и технологическими свойствами, что связано с увеличением при этих условиях количества ферритной фазы.
Помимо прямых методов экспериментального определения сопротивления сплавов образованию горячих трещин, существуют косвенные: оценка по диаграммам состояния, основанная на представлении об увеличении склонности сплавов к образованию горячих трещин с расширением эффективного интервала кристаллизации ; по количеству ферритной фазы в аустенит-ных сталях в соответствии с диаграммами Шеффлера
При отсутствии сертификатов материалы можно использовать для работы только после их предварительной проверки; при этом проверяют химический состав сварочной проволоки и наплавленного металла, механические свойства сварного шва или наплавки, для аустенитных электродов, кроме того, – количество ферритной фазы и, при наличии требований, – склонность к межкристаллитной коррозии. Результаты проверки должны отвечать требованиям ГОСТ 9467 – 75; 10052 – 75; 2246 – – 70 или ТУ на сварочные материалы.
При отсутствии сертификатов материалы можно использовать для работы только после их предварительной проверки; при этом проверяют химический состав сварочной проволоки и наплавленного металла, механические свойства сварного шва или наплавки, для аустенитных электродов, кроме того, – количество ферритной фазы и, при наличии требований, – склонность к межкристаллитной коррозии. Результаты проверки должны отвечать требованиям ГОСТ 9467 – 75; 10052 – 75; 2246 – 70 или ТУ на сварочные материалы.
Получение строго дозированного количества феррита в сварных швах является достаточно сложной задачей. Количество ферритной фазы зависит от соотношения в стали ферритизаторов и аустениза-торов. Однако по допускам ГОСТа 2246 – 60 на содержание элементов это соотношение может изменяться в широких пределах.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ФЕРРИТНОЙ ФАЗЫ МАГНИТНЫМ МЕТОДОМ
3.1. Для магнитного метода определения СФФ образцы отрезают от прутков в виде поперечных темплетов высотой не менее 10 мм.
3.2. Определения проводят на шлифованной поверхности макрошлифов, изготовленных на образцах. Допускается определение проводить на макрошлифах, применяемых для контроля макроструктуры до травления.
3.3. Основным магнитным методом высшей точности является метод магнитного насыщения.
3.4. Рабочими средствами измерения являются ферритометры по ГОСТ 26364-90 при измерении содержания ферритной фазы в пределах 0-20 %. При измерении СФФ более 20% допускается применение других приборов при наличии соответствующей градуировки.
3.5. Градуировка рабочих средств измерения должна осуществляться по стандартным образцам СФФ, аттестованным методом магнитного насыщения или металлографическим методом.
3.6. Для определения СФФ на макрошлифе проводят не менее 40 измерений равномерно расположенных по двум-трем диаметрам (диагоналям). При установлении на макрошлифе зоны с наибольшим СФФ проводят меньшее число измерений, но не менее 20.
3.7. СФФ на макрошлифе определяют средним из трех максимальных показаний прибора в разных местах шлифа с последующим его выражением по градуировочной кривой в баллах или процентах.
3.8. СФФ в плавке оценивают двумя способами:
а) по максимальному показанию из оценок двух образцов;
б) по среднему показанию из оценок двух или более образцов. Способ оценки устанавливается стандартами или техническими условиями на продукцию.
3.9. Если результаты испытаний неудовлетворительны, то повторно проводят испытания на образцах, отобранных от других штанг; при оценке плавки по максимальному показателю — на том же количестве, при оценке плавки по среднему показателю — на удвоенном количестве образцов. Результаты повторных испытаний являются окончательными. Разд. 3 (Измененная редакция, Изм. N 2)
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством черной металлургии СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ ПОСТАНОВЛЕНИЕМ Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР от 15.03.66
4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на которую дана ссылка
Номер пункта
ГОСТ 8.518-84
4.1а
ГОСТ 26364-90
3.4, 4.1а
5. Ограничение срока действия снято по протоколу Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2—93)
6. ИЗДАНИЕ (июнь 2011 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в октябре 1974 г., декабре 1987 г. (ИУС 10-74, 3-88)
Редактор М.И. Максимова Технический редактор В.Н. Прусакова Корректор М.С. Кабашова Компьютерная верстка А.Н. Золотаревой
Сдано в набор 16.06.2011. Подписано в печать 29.07.2011. Формат 60×84 Vs- Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Уел. печ. л. 0,93 + вкл. 0,47. Уч.-изд. л. 0,45 + вкл. 0,35. Тираж 156 экз. Зак. 691.
, 123995 Москва, Гранатный пер., 4. Набрано во на ПЭВМ.
Отпечатано в филиале — тип. «Московский печатник», 105062 Москва, Лялин пер., 6
Проверка ПРИБОРОВ
4.1. Перед началом работы новый прибор градуируется.
4.1а. Методику первичной и периодических поверок ферритометров (по ГОСТ 26364) устанавливают в соответствии с ГОСТ 8.518*.
* С 1 января 2012 г. вводится в действие ГОСТ 8.518-2010.
(Введен дополнительно , Изм. № 2). 4.2. Градуировку прибора, т.е. получение градуировочной кривой зависимости показаний прибора от содержания СФФ, проводят по эталонным образцам с различным содержанием СФФ. Рекомендуется построение одной градуировочной кривой для прутков размером от 80 до 180 мм и второй – 180 мм и более.
4.3. Эталоны необходимо изготовлять из прутков контролируемой марки стали.
Допускается изготовление эталонов для стали марок 17Х18Н9, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 04Х18Н10Т, 08Х18Н10, 04Х18Н10, 02Х18Н10, 06Х18Н11, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Т, 08Х18Н12Б, из стали марки 12Х18Н10Т.
(Измененная редакция Изм. № 1).
4.7. По данным, соответствующим эталонам с различным содержанием СФФ, строят градуировочную кривую прибора в координатах «показание прибора – балл СФФ». Каждые 5 – 6 точек кривой должны определяться не менее чем 10 результатами, полученными на разных эталонных образцах.
Примечание. Допускается градуировка прибора в координатах «показание прибора – объемное содержание СФФ». В этом случае содержание СФФ в эталонных образцах определяют одним из методов количественной металлографии, например точечным, и выражают в процентах.
4.8. Правильность работы прибора в течение эксплуатации и после ремонта проверяют периодически по двум-трем эталонным образцам с заранее фиксированными показаниями, соответствующими разным участкам градуировочной кривой прибора.
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством черной металлургии СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ ПОСТАНОВЛЕНИЕМ Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР от 15.03.66
4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на которую дана ссылка
Номер пункта
ГОСТ 8.518-84
4.1а
ГОСТ 26364-90
3.4, 4.1а
5. Ограничение срока действия снято по протоколу Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)
б. ИЗДАНИЕ (июнь 2011 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в октябре 1974 г., декабре 1987 г. (ИУС 10-74, 3-88)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ФЕРРИТНОЙ ФАЗЫ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
2.1. На образцах, вырезанных вдоль волокна, изготовляют шлифы по плоскости, проходящей от центра до середины радиуса прутка (см. чертеж).
2.2. Микрошлиф подвергают электролитическому или химическому травлению. Электролитическое травление осуществляют в 10 %-ном водном растворе щавелевой кислоты при комнатной температуре и плотности тока 0,03-0,08 а/см в течение 20-40 с. Химическое травление осуществляют в реактиве следующего состава: 20 мл воды, 20 мл концентрированной соляной кислоты и 4 г медного купороса. Травление проводят при комнатной температуре в течение 8-10 с. Допускается травление в реактивах другого состава, обеспечивающих быстрое и качественное травление (участки не должны быть окисленными, а их границы должны быть тонкими и резкими).
2.3. Содержание СФФ в стали оценивают просмотром всей площади травленого микрошлифа.
2.4. На каждом шлифе при увеличении 280-320 и диаметре поля зрения микроскопа 0,38-0,43 мм определяют место с наибольшим содержанием СФФ, которое визуально оценивают в баллах или в процентах путем сравнения с фотоэталонами прилагаемой шкалы. Арбитражные определения содержания СФФ проводят по фотоснимку, сделанному при увеличении 280-320, с диаметром фотоотпечатка, соответственно равным 115-130 мм.
2.5. Прилагаемая к настоящему стандарту шкала для определения содержания СФФ — пятибалльная и имеет дополнительные фотоэталоны в 0,5; 1,5 и 2,5 балла. Шкала представлена двумя рядами фотоэталонов, различающимися по величине и количеству участков (см. вкладки).
2.4, 2.5 (Измененная редакция, Изм. N 2).
2.6. (Исключен, Изм. N 2).
2.7. Содержание СФФ в плавке оценивают двумя способами:
а) по максимальному баллу или проценту из оценок двух образцов;
б) по среднему баллу или проценту из оценок двух или более образцов. Способ оценки устанавливается стандартами и техническими условиями на продукцию.
2.8. Норма содержания СФФ в зависимости от назначения стали устанавливается стандартами и техническими условиями на продукцию. Если результаты испытаний неудовлетворительные, то повторно проводят испытания на образцах, отобранных от других штанг; при оценке плавки по п. 2.7а — на том же количестве, при оценке плавки по п. 2.7б — на удвоенном количестве образцов. Результаты повторных испытаний являются окончательными.
В процессе остывания сталей они проходят этап (фазу) кристаллизации. Ферритная фаза определяет количество мелкодисперсионного дельта феррита. Например, в аустенитных марках типа Е308 или Е308L процент содержания этого элемента колеблется от трёх до десяти процентов.Это количество позволяет предотвратить появление трещин и не допустить так называемое «охрупчивание» металла при высоких температурах.
Строение и свойства
При повышении температуры аустенитные стали превращаются в жидкий раствор с определённым процентным отношением железа и углерода. Если температура раствора превышает линию так называемого ликвидуса (это около 1700 °C),образовавшийся расплав становится статически неустойчивым. Его состояние оценивают по двум составляющим:фазовой и структурной.
Для первой составляющей основным показателем является фаза состояния полученной смеси. Она определяет состояние металла по следующим показателям:
Структурная составляющая часть образца определяется как гомогенная или квазигомогенная форма. Общая структура образовавшегося феррита составляет равноосные кристаллы. В трёхмерном пространстве решётка ферритной фазы представляет объёмно-центрированный куба. Эти кристаллы определяют твёрдость феррита и способность углерода в нём растворяться. Опыт показывает, что при температуре равной 727 градусов в феррите растворяется только 0,02% углерода.
Кроме этого к основным свойствам феррита относятся:
К основным недостаткам относятся невысокая прочность и недостаточная твёрдость. Последний показатель зависит от величины образованного зерна и находится в интервале от 65 до 130 НВ.
В зависимости от этапа проходящих превращений ферритная фаза находится в следующих состояниях:
Каждое состояние требует точного определения и выявления возникающих преобразований. От них во многом зависят характеристики конечного продукта.Полное отсутствие ферритного образования или незначительное его содержание проявляется с образованием горячих трещин. Завышенное содержание этого показателя снижает пластичность, ударную вязкость и антикоррозийную стойкость.
Контроль ферритной фазы
Особенность влияния ферритной фазы на образец проявляется при небольших изменениях содержания этого показателя (несколько процентов). Могут существенным образом измениться конечные свойства изготовленной стали. Поэтому практически все образцы подвергаются проверке.
Этот процесс регламентируется ГОСТ Р 53686-2009. В нём приведен порядок, как должен осуществляться контроль содержания ферритной фазы.На основании этого стандарта должна проходить проверка, которая должна определить следующие показатели:
ГОСТ Р 53686-2009 Определение содержания ферритной фазы в металле сварного шва аустенитных и двухфазных феррито-аустенитных хромоникелевых коррозионностойких сталей
Определение содержания ферритной фазы указывает на её объёмную долю в сталях аустенитного или аустенитно-ферритного класса.
Особенно подробное испытание проводится для сталей в которых в дальнейшем будет применяться сварка. Полученный сварной шов проверяется на прочность и долговечность путём проверки ферритной фазы. Она не должна превышать шести процентов.Пониженный процент ферритной фазы ухудшает механические характеристики.
Для проведения контроля ферритной фазы используют специально отобранные образцы. Они проверяются на специальных приборах определяющих силу отрыва контрольного магнита от готового сварного соединения. На основе нескольких измерений с использованием калибровочной кривой рассчитывают ферритовое число.
В процессе остывания сталей они проходят этап (фазу) кристаллизации. Ферритная фаза определяет количество мелкодисперсионного дельта феррита. Например, в аустенитных марках типа Е308 или Е308L процент содержания этого элемента колеблется от трёх до десяти процентов.Это количество позволяет предотвратить появление трещин и не допустить так называемое «охрупчивание» металла при высоких температурах.
Строение и свойства
При повышении температуры аустенитные стали превращаются в жидкий раствор с определённым процентным отношением железа и углерода. Если температура раствора превышает линию так называемого ликвидуса (это около 1700 °C),образовавшийся расплав становится статически неустойчивым. Его состояние оценивают по двум составляющим:фазовой и структурной.
Для первой составляющей основным показателем является фаза состояния полученной смеси. Она определяет состояние металла по следующим показателям:
Структурная составляющая часть образца определяется как гомогенная или квазигомогенная форма. Общая структура образовавшегося феррита составляет равноосные кристаллы. В трёхмерном пространстве решётка ферритной фазы представляет объёмно-центрированный куба. Эти кристаллы определяют твёрдость феррита и способность углерода в нём растворяться. Опыт показывает, что при температуре равной 727 градусов в феррите растворяется только 0,02% углерода.
Кроме этого к основным свойствам феррита относятся:
К основным недостаткам относятся невысокая прочность и недостаточная твёрдость. Последний показатель зависит от величины образованного зерна и находится в интервале от 65 до 130 НВ.
В зависимости от этапа проходящих превращений ферритная фаза находится в следующих состояниях:
Каждое состояние требует точного определения и выявления возникающих преобразований. От них во многом зависят характеристики конечного продукта.Полное отсутствие ферритного образования или незначительное его содержание проявляется с образованием горячих трещин. Завышенное содержание этого показателя снижает пластичность, ударную вязкость и антикоррозийную стойкость.
Контроль ферритной фазы
Особенность влияния ферритной фазы на образец проявляется при небольших изменениях содержания этого показателя (несколько процентов). Могут существенным образом измениться конечные свойства изготовленной стали. Поэтому практически все образцы подвергаются проверке.
Этот процесс регламентируется ГОСТ Р 53686-2009. В нём приведен порядок, как должен осуществляться контроль содержания ферритной фазы.На основании этого стандарта должна проходить проверка, которая должна определить следующие показатели:
ГОСТ Р 53686-2009 Определение содержания ферритной фазы в металле сварного шва аустенитных и двухфазных феррито-аустенитных хромоникелевых коррозионностойких сталей
Определение содержания ферритной фазы указывает на её объёмную долю в сталях аустенитного или аустенитно-ферритного класса.
Особенно подробное испытание проводится для сталей в которых в дальнейшем будет применяться сварка. Полученный сварной шов проверяется на прочность и долговечность путём проверки ферритной фазы. Она не должна превышать шести процентов.Пониженный процент ферритной фазы ухудшает механические характеристики.
Для проведения контроля ферритной фазы используют специально отобранные образцы. Они проверяются на специальных приборах определяющих силу отрыва контрольного магнита от готового сварного соединения. На основе нескольких измерений с использованием калибровочной кривой рассчитывают ферритовое число.
Основы дуговой сварки
Что такое содержание ферритной фазы в нержавеющих аустенитных сварочных металлах и как оно измеряется?
В вопросе качества нержавеющих аустенитных сварочных материалов важным показателем является их содержание ферритной фазы. Феррит весьма эффективен для предотвращения горячих трещин в нержавеющих аустенитных сварочных металлах. Однако феррит может также вызывать охрупчивание (охрупчивание а-фазой) сварочного металла при высоких температурах, а также снижать его ударную вязкость при криогенных температурах. Поэтому контроль содержания ферритной фазы очень важен при разработке химических формул сварочных материалов. Обычно сварочные материалы из аустенита марок E308 и E308L разработаны таким образом, что содержание феррита в них составляет примерно от 3 до 10%, что позволяет предотвращать появление горячих трещин и минимизировать охрупчивание при высоких температурах.
На Рис. 1 показана типичная микроструктура наплавленного металла марки E308: темные участки – феррит, а светлые – аустенит.
Рис. 1 — Типичная микроструктура наплавленного металла марки E308: темные участки – феррит, а светлые – аустенит (увеличение 200x)
Феррит и аустенит обладают совершенно разными физическими свойствами. На Рис. 2 представлено сравнение типичных физических свойств феррита и аустенита.
Рис. 2 —Сравнение кубической решетки и магнитных свойств феррита и аустенита
Эта разница магнитных свойств очень важна в вопросе содержания ферритной фазы аустенитного сварочного металла, так как магнитные методы (помимо химических и металлографических) часто используются для измерениия содержания ферритной фазы. Ферритометр (Рис. 3) – прибор, часто применяемый для локального измерения содержания ферритной фазы в металле сварных швов магнитным методом.
Рис. 3 —Ферритометр – наиболее широко применяемый прибор для измерения локального содержания ферритной фазы в сварочном металле, так как его контактный датчик достаточно мал, чтобы его можно было использовать на небольшом участке сварочного металла.
Нержавеющие стали: феррит, мартенсит, аустенит
Группы нержавеющих сталей по химическому составу
В зависимости от набора основных легирующих элементов в химическом составе различают следующие группы нержавеющих сталей:
Хромистые стали
Как ясно из названия группы, главным легирующим элементом хромистых сталей является хром. Согласно ГОСТ 5632-2014 номинальное содержание хрома может быть 13, 17 или 25/28 %. К первому типу принадлежат марки 08Х13, 13х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, ко второму — 12Х17 и 08Х17Т, к третьему — 15Х25Т и 15Х28. Хромистые стали второго и третьего типа относятся к ферритному классу, а первого типа — могут иметь ферритный, мартенситный или феррито-мартенситный класс.
Хромоникелевые стали
Хромоникелевые стали содержат 14-20% хрома, 12-14% никеля. Устойчивы к кислотам и высоким температурам, хорошо поддаются технологическим деформациям, в частности, штамповке, и свариванию. Обработке резанием поддаются удовлетворительно. К хромоникелевым относят стали марок 20X17Н2, 14Х17Н2, 20X17Н2, 14X17Н2.
Хромомарганцевоникелевые стали
Частичная замена никеля более дешевым марганцем способствует снижению стоимости материала без заметного снижения его полезных свойств. Добавление марганца повышает пластичность нержавеющей стали и помогает сохранить немагнитность, увеличивается ударная вязкость при низких температурах. Но, следует учитывать, что хромомарганцевоникелевые стали трудно свариваются и склоны к отпускной хрупкости. Основные представители данной группы: 03Х20Н16АГ6, 07Х21Г7АН5, 10Х14Г14Н4Т.
С учетом структуры своей кристаллической решетки хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали делятся аустенитные, аустенитно-ферритные, аустенитно-ферритные и аустенитно-карбидные.
Ферритные нержавеющие стали
К ферритным нержавеющим сталям относятся стали 08Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28 по ГОСТ 5632-72.
Классы нержавеющих сталей по микроструктуре
Различия в механических и технологических свойствах сталей обусловлены особенностями их кристаллической структуры. По этому признаку нержавеющие стали подразделяют на:
Ферритные стали
Содержание хрома в этом типе сталей приближается к 20%. Ферритные стали имеют высокую устойчивость к химически агрессивным средами, ярко выраженные магнитные свойства, хорошо поддаются обработке. Недорогие ферритные стали склонны к росту зерна и, как следствие, – к межкристаллитной коррозии. При высоких температурах происходит охрупчивание металла. Используются для производства неответственных конструкций, а также изделий, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах. К ферритному классу относятся стали марок: 08X17Т, 12X17 (AISI 430), 15X28, 15Х25Т, 15Х25Т.
Мартенситные и мартенситно-ферритные стали
Содержат до 20% хрома. Обладают низким порогом хладоломкости, пластичны, имеют высокую ударную вязкость, не склонны к образованию трещин. Устойчивы к износу, коррозии в слабоагрессивных средах и атмосфере. Свариваемость разных марок мартенситных сталей сильно разнится. Некоторые мартенситные стали склонны к тепловой хрупкости. Применяются для изготовления режущего инструмента, измерительных приборов, высокопрочных деталей и ответственных конструкций, предназначенных для эксплуатации в широком диапазоне температур. Марки мартенситных сталей: 20Х13 (AISI 420), 40Х13, 12Х13.
Аустенитные стали
Суммарное содержание хрома и никеля достигает 33%. Аустенитные стали обладают наилучшим сочетанием технологических качеств. Им свойственна пластичность, высокая коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред, прочность. К аустенитному классу относятся стали 06ХН28МДТ, 08Х18Н10 (AISI 304), 10Х13Н17М2 (AISI 316), 12Х15Г9НД (AISI 201), 12Х18Н10Т (AISI 321), 20Х23Н18 (AISI 310S). Из них прокатывают множество видов полуфабрикатов: нержавеющие листы, трубы, сортовые изделия и арматуру.
Аустенитно-ферритные стали
Отличаются от аустенитных и ферритных сталей большей прочностью, менее склонны к росту зерна и межкристаллитной коррозии, устойчивы к органическим кислотам и азотной кислоте. Хорошо поддаются свариванию, не намагничиваются. По устойчивости к хладоломкости занимают промежуточное положение между ферритными и аустенитными сталями и хуже поддаются пластическим деформациям по сравнению с аустенитными сплавами. Используются для производства оборудования для металлургической, пищевой, химической, промышленности, в судостроении. К аустенитно-ферритным сталям относятся: 09ХН21Н6М2Т, 10Х25Г6ФТ, 08Х20Н6МД2Т, 09Х22Н5Т, 10Х25Н6Т.
Влияние хрома на коррозионную стойкость стали
Именно хром делает сталь нержавеющей. Кроме того, хром является элементом, повышающим устойчивость феррита. Рисунок 1 иллюстрирует влияние хрома на диаграмму состояния железо-углерод. Хром заставляет аустенитную область сжаться тогда, как ферритная область увеличивается в размерах. При высоком содержании хрома и низком содержании углерода феррит является единственной фазой вплоть до температуры ликвидуса.
Рисунок 1 – Влияние 17 % хрома на диаграмму состояния железо-углерод. При низком содержании углерода феррит является устойчивым при всех температурах. Буква «М» обозначает «металл», например, хром или железо, а также другие легирующие элементы.
Различают несколько видов нержавеющих сталей, основанных на различиях кристаллической структуры и упрочняющих механизмов.
Двухфазные нержавеющие стали
В некоторых случаях в структуре нержавеющих сталей намеренно получают смесь различных фаз. При соответствующем контроле химического состава и режимов термической обработки получают сталь с содержанием, например, 50 % феррита и 50 % аустенита. Такая комбинация фаз в структуре стали обеспечивает ей такое уникальное сочетание механических свойств, коррозионной стойкости, способности к обработке давлением и свариваемости, которое невозможно достичь в никаких других нержавеющих сталях. Иногда их называют по-зарубежному — дуплексные стали.
К двухфазным нержавеющим сталям относятся стали 08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2, 08Х18Г8Н2Т, 03Х24Н6М3 по ГОСТ 5632-72.
Источник: D. Askeland, P. Fulay, W. Wright – The Science and Engineering of Materials, 2011
Аустенитные нержавеющие стали
Никель является элементом, который повышает устойчивость аустенита. Присутствие никеля в стали увеличивает размер аустенитной области, тогда как феррит почти полностью изчезает из железо-хромово-углеродистых сплавов (рисунок 3).
Рисунок 3 – Сечение диаграммы состояния железо-хром-никель-углерод при 18 % хрома и 8 % никеля. При низком содержании углерода аустенит является устойчивым при комнатной температуре.
Если содержание углерода становиться ниже 0,03 %, то карбиды в стали вообще не образуются и сталь является полностью аустенитной при комнатной температуре (рисунок 4).
Рисунок 4 – Аустенитная нержавеющая сталь
Аустенитные нержавеющие стали обладают высокой пластичностью, способностью обработке давлением и коррозионной стойкостью.
Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса заключается в закалке в воде с температуры 1050-1100 °С. Такой нагрев вызывает растворение карбидов хрома, а быстрое охлаждение фиксирует состояние пресыщенного твердого раствора. Очень важно отметить, что в результате закалки твердость этих сталей не повышается, а снижается. Поэтому для аустенитных нержавеющих сталей закалка является смягчающей термической операцией.
Свою прочность аустенитная нержавеющая сталь получает за счет холодного наклепа — нагартовки. Аустенитные стали могут получать деформационное упрочнение до значительно более высоких величин, чем ферритные нержавеющие стали. При деформациях порядка 80-90 % предел текучести достигает 980-1170 МПа, а предел прочности — 1170-1370 МПа. Ясно, что такого наклепа можно достичь только при изготовлении таких видов изделий, как тонкий лист, лента, проволока.
Аустенитные нержавеющие стали являются немагнитными, что дает им преимущество во многих применениях.
Представителями аустенитных нержавеющих сталей являются стали 12Х18Н9 и 17Х18Н9, 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 03Х18Н11 по ГОСТ 5632-72.
Дисперсионно твердеющие нержавеющие стали
Эти стали называют также высокопрочными нержавеющими сталями. Дисперсионно твердеющие нержавеющие стали содержат алюминий, ниобий или тантал и получают свои свойства за счет закалки, деформационного упрочнения, упрочнения старением и мартенситного превращения. Сталь сначала нагревают и закаливают с превращением аустенита в мартенсит. Повторный нагрев вызывает выделение из мартенсита упрочняющих частиц, таких как NiAl3. Высокая прочность этих сталей достигается даже при низком содержании углерода.
К дисперсионно твердеющим сталям относятся стали 07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, 08Х17Н5М3, 04Х25Н5М2, ХН40МДТЮ по ГОСТ 5632-72.
Какая марка стали лучше для банной печки
Непосредственное воздействие огня приводит к прогоранию стали. Конечно, можно попросту использовать металл толщиной 10 мм и более, но тогда придется подолгу протапливать парную, тратить большое количество топлива для прогрева. По причине использования толстостенных стальных листов, долговечная печь станет экономически невыгодной.
Задача, стоящая перед мастером – сделать конструкцию достаточно прочную, чтобы предотвратить деформацию, прогорание и одновременно имеющую хорошую теплопроводимость. В заводских условиях, для изготовления банных печей используется металл с высокой степенью жаропрочности.
Легированная сталь отличается от конструкционной стали следующими характеристиками:
Расшифровка марок
Маркировка легированных сталей состоит из букв и цифр. В начале ставится двузначное число, которое характеризует количество углерода в сотых долях %. Далее следуют буквы русского алфавита, обозначающие определенный элемент:
После буквенного обозначения легирующего элемента в расшифровке идет число, обозначающее его содержание в нержавеющей стали, округленное до целого процента. Если такой цифры нет, то добавка в сплаве находится в пределах – 1-1,5 %.
Это интересно: Коэффициент теплопроводности меди: что такое теплопроводность. Какая теплопроводность у меди
Разновидности жаропрочных и жаростойких материалов по структурным критериям
Состояние внутренней структуры металлов определяет тип сталей и сплавов.
Выделяется ряд категорий жаропрочных стальных материалов, исходя из состояний внутренней структуры.
Аустенитный класс
Аустенитный класс формирует внутреннюю структуру благодаря большому процентному содержанию хрома и никеля. Получение стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, предполагает легирование стали никелем. Жаростойкость определяется хромовыми добавками.
Это интересно: Обозначение и изображение резьбы на чертеже согласно ГОСТ
Аустенитные сплавы — высоколегированные. Для целей легирования используются Nb (ниобий) и (Ti) титан для увеличения устойчивости к коррозии. Эта характеристика позволяет отнести их к группе стабилизированных. Коррозионностойкие жаропрочные стали с относятся к труднообрабатываемым металлам.
Когда температуры повышаются до значений, близких к 1000 градусам С. и длительно поддерживаются, аустенитная нержавеющая сталь сохраняет стойкость к образованию слоя окалины, сохраняя качество жаростойких материалов.
Часто встречаются на производстве сплавы аустенитного типа, принадлежащие к дисперсионно–твердеющему подклассу. Качественные характеристики могут улучшаться путем добавления различных элементов: карбидных, интерметаллических упрочнителей. Эти элементы обеспечивают деформационно-термическое упрочнение благодаря усилению аустенитной матрицы с помощью дисперсионного твердения.
Интерметаллиды получаются благодаря дополнительным добавкам хрома–Cr, никеля-Ni, и титана–Ti.
Структура аустенитов
Жаропрочные аустенитные различаются по типам структуры. Она может быть
Материалы с никелевыми и кобальтовыми присадками подвергаются эксплуатационным воздействиям при терморежиме до 900 градусов. Сохраняют стабильность структуры долгое время.
Нихромы, в которых никеля больше 55%, отличаются и жаропрочностью, и качествами жаростойкости.
Тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, ванадий обеспечивают устойчивость металлов, когда термический режим приближается к 1500 гр. С.
Молибденовые сплавы с дополнительной защитой долгое время сохраняют рабочие свойства в терморежиме 1700 гр.
Из металлов этого подкласса производят турбинные конструкции, клапаны двигателей автотранспорта, арматурных конструкций
Гомогенные виды идут на изготовление трубопрокатной продукции, деталей печей, агрегатов, функционирующих под давлением.
Х12Н20Т3Р идет на производство турбинных дисков, кольцевых компонентов, крепежа, функционирующих в температурном режиме менее 700 гр. 4Х14Н14В2М участвует в производстве арматуры, крепежа и поковок для долгого срока эксплуатации при термическом режиме 650 градусов
Х25Н20С2 участвует в производстве печей для температурных нагрузок до 1100 градусов Из Х25Н16Г7АР производят различные металлические полуфабрикаты: лист, проволока, готовые детали для функционального использования при 950 гр. при умеренных нагрузках.
Х18Н12Т идет на изготовление деталей и компонентов для работы при терморежиме до 600 гр. в агрессивных средах.
Аустенитно-ферритный класс
Материалы, содержащие смесь аустенитных и ферритных фаз, характеризуются особой жаропрочностью. По своим параметрам они превосходят даже высокохромистые железосодержащие материалы. Объяснение этого явления кроется в особо стабильной матричной структуре. Это предполагает возможность применения при терморежиме 1150 градусов.
Маркировка стали ферритного ряда: Х23Н13, Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2
Х23Н13 идет на изготовление пирометрических трубок. Х20Н14С2 и 0Х20Н14С2 идут в производство жаропрочных труб, печных конвейеров, емкостей для цементации.
Мартенситный класс
Методом, который превращает один вид стального материала в другой, является закаливание, за которым следует отпуск. Итог процесса – перестроение кристаллической решетки и повышение твердости. Однако возрастает хрупкость.
3Х13Н7С2 и 4Х9С2 могут подвергаться нагреву порядка 900 гр. С. Это обуславливает их пригодность для производства двигательных клапанов.
1Х8ВФ рассчитана на температурный режим ниже 500 гр. С., но на длительную эксплуатацию под нагрузками. Эта марка подтвердила свою эффективность в изготовлении паровых турбин.
Перлитный класс
Перлитные жаропрочные стальные материалы относятся к категории низколегированных. Стали содержащие в виде присадок хром и молибден ориентированы на работу при температуре 450-550 гр. С., содержащие, помимо Cr и Mo еще и ванадий, нацелены на рабочий режим при температуре 550-600 гр. С.
Легирование хромом влияет на жаростойкость материалов в сторону повышения этой характеристики, также усиливается сопротивляемость окислительным процессам. Добавки молибдена увеличивают прочностные характеристики при большом нагреве материалов.
Ванадий, объединяясь с углеродом, создает повышение прочностных характеристик стальных материалов карбидами с высокодисперсными качествами.
Технология нормализации металлов улучшает и оптимизирует механические свойства сплавов. Технология закаливания и следующего за ней температурного отпуска выполняет ту же функцию. Получается структурная матрица, в которой присутствует дисперсная феррито карбидная фактура.
К перлитным разновидностям принадлежат марки стали: 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 12Х2МФСР
Из 20ХМЛ производят шестерни, втулки крестовины, цилиндры, другие узлы и детали для работы при 500 гр. С. 12Х1МФ — производство труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторов высокого давления.
15Х1М1Ф идет на производство установок высокого давления, функционирующих при режиме температур до 585 гр. С.
Ферритный класс
Материалы с ферритной структурой имеют в своем составе от 25 до 33 % хрома. Получаются с помощью методов отжига и термообработки, из-за этого в них возникает мелкозернистая структура. Когда происходит повышение температурных показателей до 850 градусов, увеличивается хрупкость.
Оправдано использование сталей этого ряда для изготовления разнообразных деталей для машиностроения. 0Х17Т зарекомендовал себя в производстве изделий для работы в окислительных средах, таких как трубы и теплообменники
Из Х18СЮ производятся трубы пиролизных установок, аппаратура.
Х25Т участвует в производстве сварных конструкций с эксплуатационной температурой до 1100 градусов, труб для перекачивания агрессивных сред, теплообменников.
Мартенситно-ферритный класс
Этот тип стали имеет в своем составе 10-14% хрома, легируется V, Mo, W.
Марки сплавов этого ряда: Х6СЮ, 1Х13, 1Х11МФ, 1Х12В2МФ, 1Х12ВНМФ, 2Х12ВМБФР
Х6СЮ применяется в производстве компонентов котельных установок и трубопроводов. 1Х11МФ работает в виде лопаток турбин, из него производят поковки для эксплуатационных температур до 560 гр. С.
1Х12ВНМФ идет на производство лопаток и крепежа турбин, которые подвергаются длительным нагрузкам в температурных пределах до 580 градусов.
